5.-tekna.pdf

Synthèse par plasma induit de
nanopoudres utilisées comme additif
Richard Dolbec, B.Ing., Ph.D.
Jérôme Pollak, Ph. D.
Les nanotechnologies, vecteurs de performance
dans l’industrie de la plasturgie et des composites
1er décembre 2011, Drummondville

Profil de Tekna
• Incorporée 1990
• Située à Sherbrooke, Québec
• 70 employés
• 3 000 m 2
• 2 000 m 2
- Fabrication des équipements
- Recherche et développement
– Nouvelle usine de production de poudres
• 100 systèmes fabriqués à ce jour
– 75% en nanotechnologie (le 1 er en 1998)
• 80% du chiffre d’affaire en vente d’équipements
•Technologie reconnue mondialement
2

Si une nanoparticule de 50 nm avait la taille d’une
rondelle de hockey…
Un virus serait …
Le diamètre d’un
cheveux serait …
Une pièce de
2$ serait …
La distance
Montréal – Québec
équivaudrait à…
… de la taille
d’un homme
…de la hauteur du 1000
de La Gauchetière
…grande comme
l’île de Montréal
…1000 allers-retours
Terre-Lune
3

Variation de la surface spécifique d’un matériau
en fonction de la taille des constituants
Exemple: cube de quartz de 50 kg
NOTE: Les cubes ne sont pas à l’échelle
Materials 3 (2010) pp. 3468-3517
4

Amélioration de la résistance à l’abrasion d’un
revêtement par des nanoparticules d’alumine
Impact mineur sur: brillance, transparence et flexibilité
BYK, Nanotechnology Additives,Technical Information L-NI 1
5

Amélioration de la résistance aux rayons UV d’un
revêtement par des nanoparticules d’oxyde de zinc
Sans impact sur la transparence du revêtement
BYK, Nanotechnology Additives,Technical Information L-NI 1
6

Overview of the World Market of Nanotechnologies
Segmentation of the 2009
nanopowder market by types
2009 rating of nanopowder
producing countries
Source: Abercade Research Company (2009)
SiO 2: 40%
TiO 2: 8%
Al 2O 3: 15%
7

Overview of the World Market of Nanotechnologies
Projected world nano-tech market structure by research area by 2015
Source: Abercade Research Company (2009)
8

Deux approches pour générer des nanoparticules
Approche utilisée
par Tekna
BYK, Nanotechnology Additives,Technical Information L-NI 1,
9

Génération du plasma induit
Powder, liquid suspension, gas
U.S. Patent # 5 200 595 and International PCT/CA92/00156
10

Synthèse de nanopoudres par plasma induit
Precursor
vaporization
zone
Condensation
zone
Radial quench
Nanoparticles
nucleation and growth
Precursor (solid, liquid or gas)
On-axis temperature (K)
0
1000
2000
5000
4000
3000
6000
7000
9000
8000
~10 5 K/s
10000
11

Synthèse de nanopoudres par plasma induit
Unité de synthèse de nanopoudres typique (60kW) commercialisée par Tekna
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Tekna Matériaux Avancés inc.
La mission de Tekna Matériaux Avancés inc. est de développer et
manufacturer commercialement des matériaux avancés à haute valeur
ajoutée utilisant la technologie de plasma thermique.
Une nouvelle usine a été spécialement conçue par les ingénieurs de
Tekna pour exploiter de façon viable une production commerciale de
matériaux avancés incluant les nanopoudres.
2002
2010
13

Tekna Matériaux Avancés inc.
Systèmes 200 kW pour la production de poudres
14

Examples of nanopowders made at Tekna
and their main applications
- Tin oxide (SnO 2)
- Tungsten sub-oxide (WO x) and bronze (M xWO 3)
- Nickel (Ni)
- Glass
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• Plasma: Ar/O 2
• BET: 10 m 2 /g
• FE-SEM:
Tin oxide (SnO 2) nanopowder
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Tin oxide (SnO 2) nanopowder: Application
Used in the electronic industry for making transparent conductive
electrodes in LCD screens:
• Mixed with submicron In 2O 3 powder (90% In 2O 3 + 10% SnO 2)
• Pressed in large targets of 2m x 3m (6’ x 10’) or even more
• Used as target in PVD process for making ITO coatings
• 1: Glass plates (~0.7 mm)
• 2 & 3: Horizontal and vertical polarisers
• 4: RGB colour mask
• 5 & 6: Horizontal and vertical command lines
• 7: Rugged polymer layer
• 8: Spacers
• 9: Thin film transistors
• 10: Front electrode, ITO (100-150 μm)
• 11: Rear electrodes
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Source: Wikipedia

Tungsten sub-oxide (WO x) nanopowder
• Precursor: Ammonium paratungstate (APT) fine powder
- (NH 4) 10W 12H 2O 42•4H 2O
- Easily available and affordable
- Decomposes at T > 300°C (much lower than boiling point of W = 5555°C)
- 1 kg of APT → 0.7 kg W → 0.88 kg WO 3
•Plasma composition:
Ar/H 2
Ar/He
Ar/O 2
W WO 3
WO x (x < 3)
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Tungsten bronze (M xWO 3) nanopowders
• Co-feeding of APT with selected alkali metal salt
• Unique advantages of the ICP approach: High level of tunability with respect
to chemical environment, dopant type (M), dopant amount (x), and particle size
M = Na
APT + Na 2CO 3·H 2O
(Na carbonate)
Surf. area: 8.5 m 2 /g
Bronze purity: 97%
M = K
APT + K 2CO 3 (K carbonate)
APT + C 6H 5K 3O 7·H 2O (K citrate)
APT + CH 3CO 2K (K acetate)
Surf. area: 16.5 m 2 /g
Bronze purity: 80%
M = Cs
APT + CsCOOH·H 2O
(Cs formate)
Surf. area: 15 m 2 /g
Bronze purity: 97%
J. Mater. Chem. 20 (2010) 9855
19

Optical properties of M xWO 3 nanopowders
UV-vis-NIR spectra of Na 0.38WO 3, K 0.26WO 3, and Cs 0.2WO 3 nanopowders
visible
NIR
J. Mater. Chem. 20 (2010) 9855
20

Optical properties of M xWO 3 nanopowders
UV-vis-NIR spectra of Cs xWO 3 nanopowders where x = 0.2, 0.25, and 0.3
visible
NIR
J. Mater. Chem. 20 (2010) 9855
21

Applications for M xWO 3 nanopowders
• Interest: good transparency in the visible spectral region (380–700 nm) and
strong absorption in the near infrared (NIR) region
- Clear advantage over carbon black, which is an excellent NIR absorber but its
color is a major drawback for the use in clear coat applications or pale shades
• Heat shielding filters
- Incorporated directly into thermoplastic resins, coatings, inks, or ceramics
• Additive in coatings or thermoplastics for NIR absorption applications
- Promote the curing of clear coats and pigmented systems
→ significantly reduce the energy consumption and curing times
- Heat uptake by M xWO 3 nanoparticles comparable to carbon black
→ For example, only 0.05 wt % M xWO 3 nanoparticles added to a
clear coat can increase processing speed by 2.5 times while
having minimal impact on coloration, haze, or weatherability.
J. Mater. Chem. 20 (2010) 9855
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• Plasma: Inert gases
• BET: 8 m 2 /g
• O 2 content: 1.2%
→ In-line passivation for
safe powder handling
• FE-SEM:
Nickel (Ni) nanopowder
→ Nanoparticles diameter < 200 nm
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• Plasma: Ar/O2 • BET: 12 m2 /g
• FE-SEM:
Glass nanopowder
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Common application for Ni and glass nanopowders
• Multi-layer ceramic capacitors (MLCC)
~ mm
Dielectric layers
Nickel electrodes
Over 500 billion of these tiny capacitors were used worldwide in 2002
Ref.: www.digikey.com; Metal Powder Report 58 (2003) 20;
www.circuitboardpcb.net
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Conclusion
• La technologie des plasmas induits développée par Tekna :
• Production d'une grande variété de nanopoudres à grande échelle
• Nanopoudres présentant des propriétés spécifiques
• Rendements relativement élevés → prix relativement abordables
• Tekna a la capacité technique et l’intérêt de travailler en collaboration
avec des partenaires industriels pour développer des nanopoudres
pour leurs applications spécifiques.
• Tekna peut développer une nanopoudre pour un partenaire, puis:
• produire la nanopoudre pour le partenaire, ou
• vendre l’équipement et le procédé au partenaire
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